Faserverbundwerkstoffprofil und Kraftfahrzeugscheibenrahmen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstoffprofil (4) und einen zugehörigen Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist das Faserverbundwerkstoffprofil (4) an einer Seite konkav ausgebildet, wobei mindestens ein im Querschnitt zu dem konkaven Bereich (4.1) benachbarter Bereich (4.2, 4.3) des Faserverbundwerkstoffprofils (4) so ausgebildet ist, dass das Faserverbundwerkstoffprofil (4) bei einer Krafteinwirkung in diesem mindestens einen benachbarten Bereich (4.2, 4.3) einen Riss ausbildet, der das Faserverbundwerkstoffprofil (4) zur Erhöhung der Bruchdehnung in zwei Halbschalen aufteilt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstoffprofil und einen zugehörigen Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug.

[0002] Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von Stahl als Werkstoff im Karosseriebau insbesondere für Kraftfahrzeugscheibenrahmen bekannt. Um eine Zunahme des Fahrzeuggewichts in Folge höherer Sicherheitsanforderungen bezüglich der Steifigkeit der Fahrgastzellen von Kraftfahrzeugen und ihre Deformationseigenschaften verhindern zu können, werden in bekannter Weise Leichtbauwerkstoffe, wie zum Beispiel Aluminium, als Werkstoffe für Kraftfahrzeugscheibenrahmen verwendet. Sowohl Stahl als auch Aluminium ermöglichen als Werkstoffe für den Kraftfahrzeugscheibenrahmen eine hohe Bruchdehnung ohne Versagen der Struktur, so dass insbesondere ein seitlicher Fahrzeugscheibenrahmen Kräfte aufnehmen und auf untere Karoseriestrukturen weiterleiten kann, die bei einem Unfall auf das Fahrzeugdach wirken können. Dies erhöht die Widerstandsfähigkeit des Fahrzeugdaches gegen eine Eindrückung, beispielsweise bei einem unfallbedingten Überschlag des Fahrzeugs.

[0003] Zudem ist der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen als Leichtbauwerkstoffe aus dem Stand der Technik bekannt, die beispielsweise mit einem so genannten RTM-Verfahren (RTM: Resin Transfer Moulding bzw. Harz-Injektionsverfahren) hergestellt werden. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise als Gewebe, Gewirke, Vliese, Gitter Matten usw. ausgeführt sein, die beispielsweise aus Glas-, Kunststoff-, Natur- und/oder Kohlefasern hergestellt sind. Für Sandwich-Konstruktionen können Kernwerkstoffe wie Polyurethanschaum, PVC-Schaum, Balsaholz usw. verwendet werden. Neben den verschiedenen Verstärkungsfaserwerkstoffen und Sandwichwerkstoffen können beim RTM-Verfahren auch unterschiedliche Harzsysteme, wie z.B. Polyester-, Venylester-, Epoxid- oder Phenol-Harze, verwendet werden. Das RTM-Verfahren ermöglicht insbesondere die Herstellung von Teilen mit einer komplexen Geometrie.

[0004] In der Gebrauchsmusterschrift DE 299 24 726 U1 wird ein Verbundbauteil für Fahrzeugkarosserien beschrieben. Das beschriebene Verbundbauteil definiert abschnittsweise die Außenfläche des Fahrzeugs und ist insbesondere als großflächiges Verbundbauteil in Form eines Fahrzeugdachs, einer Tür, einer Klappe oder eines Deckels ausgeführt. Das beschriebene Verbundbauteil umfasst eine vor dem Schäumen separat tiefgezogene Außenhaut und eine auf der Innenseite der Außenhaut aufgeschäumte Kunststoffschicht. Die tiefgezogene Außenhaut ist an den Rändern rahmenlos ausgebildet und mit einer umlaufenden Aufkantung versehen. Zudem ist über den gesamten Flächenbereich der Außenhaut eine an sich nicht steife Armierung aus ungeordneten Fasern, insbesondere Glasfasern, vorgesehen, mit denen der Kunststoff beladen ist, wobei die ungeordneten Fasern den Elastizitätsmodul der geschäumten Kunststoffschicht erhöhen. Die Armierung umfasst beispielsweise nichteigensteife bzw. biegeschlaffe Gewebe, Gewirke, Vliese, Gitter Matten usw., die beispielsweise aus Glas-, Kunststoff- und/oder Kohlefasern hergestellt sind.

[0005] Bei einem möglichen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen als Werkstoffe für Kraftfahrzeugscheibenrahmen, die insbesondere mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, ergibt sich das Problem, dass aufgrund der geringeren Bruchdehnung dieser Werkstoffe bei der Aufnahme und Weiterleitung der bei einem Unfall auf das Fahrzeugdach wirkenden Kräfte ein Versagen der Struktur früher als gefordert auftreten kann.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Faserverbundwerkstoffprofil und einen zugehörigen Kraftfahrzeugscheibenrahmen anzugeben, die ein geringes Gewicht und eine ausreichende Bruchdehnung aufweisen und kostengünstig hergestellt werden können.

[0007] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Faserverbundwerkstoffprofils mit den Merkmalen der Patentanspruchs 1, und durch einen Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der Patentanspruchs 6.

[0008] Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0009] Erfindungsgemäß ist ein Faserverbundwerkstoffprofil an einer Seite konkav ausgebildet. Zudem ist mindestens ein im Querschnitt zu dem konkaven Bereich benachbarter Bereich des Faserverbundwerkstoffprofils so ausgebildet, dass das Faserverbundwerkstoffprofil bei einer Krafteinwirkung in diesem mindestens einen benachbarten Bereich einen Riss ausbildet, der das Faserverbundwerkstoffprofil zur Erhöhung der Bruchdehnung in zwei Halbschalen aufteilt. Durch die Aufteilung in zwei Halbschalen stützt eine innere Halbschale die äußere Halbschale ab, wodurch das maximale Kraftniveaus erhöht wird, welches das Faserverbundwerkstoffprofil aufnehmen und ohne Versagen der Struktur weiterleiten kann. So wird durch die Aufteilung in zwei Halbschalten der maximale senkrechte Faserabstand verringert und dadurch eine größere mögliche Gesamtdurchsenkung des Faserverbundwerkstoffprofil erzielt. Durch die vorliegende Erfindung können Faserverbundwerkstoffprofile so dimensioniert werden, dass in vorteilhafter Weise eine ausreichende Bruchdehnung erreicht werden kann. Das Faserverbundwerkstoffprofil kann beispielsweise als geschlossenes Hohlprofil ausgeführt werden.

[0010] Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffprofils als Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug können in vorteilhafter Weise ein geringeres Fahrzeuggewicht und dadurch ein tieferer Fahrzeugschwerpunkt erzielt werden, wodurch das Fahrverhalten bei gleich bleibendem hohen Insassenschutz verbessert werden kann. Zudem ermöglicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffprofils als Scheibenrahmen eine dünnere Ausführung der A-Säule, wodurch der Sichtwinkel in vorteilhafter Weise verbessert wird. Außerdem ergeben sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kunststoffrohres geringerer Herstellungskosten und eine größere Designfreiheit.

[0011] Zur Ausbildung des Risses, der bei der Krafteinwirkung durch das Rohr wandert, ist der mindestens eine zum konkaven Bereich benachbarte Bereich schubweich ausgebildet. In dem mindestens einen schubweichen Bereich weisen die Fasern beispielsweise einen Orientierungswinkel von ungefähr 0° auf.

[0012] In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kunststoffrohrs sind zwei zu dem konkaven Bereich benachbarte schubweiche Bereiche konvex ausgebildet.

[0013] Ein erfindungsgemäßer Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug umfasst mindestens ein Faserverbundwerkstoffprofil, der beispielsweise als seitlicher Schreibenrahmen ausgeführt ist, wobei die auf den seitlichen Scheibenrahmen wirkende Kraft beispielsweise durch einen Überschlag des Fahrzeugs bei einem Unfall verursacht werden kann. Das mindestens eine Faserverbundwerkstoffprofil kann beispielsweise so ausgerichtet bzw. angeordnet werden, dass es eine maximale Bruchdehnung gegen eine zu erwartende Krafteinwirkung bei einem Unfall aufweist.

[0014] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

[0015] Dabei zeigen:

Fig. 1

eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen seitlichen Scheibenrahmens für ein Kraftfahrzeug, und

Fig. 2

eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffprofils für den Scheibenrahmen aus Fig. 1.

[0016] Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffprofil 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel als vorderer seitlicher Scheibenrahmen 2 bzw. als A-Säule für ein Kraftfahrzeug 1 verwendet, das beispielhaft als Cabriolet ausgeführt ist. Das Faserverbundwerkstoffprofil 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als geschlossenes Hohlprofil ausgeführt und so dimensioniert, dass es eine ausreichende Bruchdehnung aufweist, um im Falle eines Überschlags bei einem Unfall die entstehenden Kräfte F ohne Versagen der Struktur, d.h. ohne Bruch, aufzunehmen bzw. an eine untere Karosseriestruktur 3 weiterzuleiten.

[0017] Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Faserverbundwerkstoffprofil 4 für den Scheibenrahmen 2 eines Kraftfahrzeugs 1 an einer Seite in einem mittleren Bereich 4.1 konkav ausgebildet. Die beiden im Querschnitt zu dem konkaven Bereich 4.1 benachbarten konvexen Bereiche 4.2, 4.3 des Faserverbundwerkstoffprofils 4 sind im Vergleich zum konkaven Bereich 4.1 schubweich ausgebildet, d.h. die Fasern in den konvexen schubweichen Bereichen 4.2, 4.3 weisen einen Orientierungswinkel von ungefähr 0° auf. Durch eine derartige Ausführung des Faserverbundwerkstoffprofils 4 wird erreicht, dass im Falle einer Überlast in den schubweichen Bereichen 4.2, 4.3 ein Riss ausgebildet wird, der bei weiter steigender Kraft durch das Faserverbundwerkstoffprofil 4 wandert. Somit wird das Faserverbundwerkstoffprofil 4 in zwei Halbschalen aufgeteilt, wobei eine innere Halbschale eine äußere Halbschale abstützt und somit ein weiterer Anstieg des Kraftniveaus erreicht werden kann. Zudem kann durch die Aufteilung in zwei Halbschalen ein maximaler senkrechter Faserabstand verringert und dadurch eine größere mögliche Gesamtdurchsenkung des Faserverbundwerkstoffprofils 4 erzielt werden.

[0018] Durch das erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoffprofil 4 kann bei dessen Verwendung als Scheibenrahmen die Widerstandsfähigkeit des Fahrzeugdaches gegen Eindrückung erhöht werden, so dass bei Crashtests ohne Versagen der Struktur vergleichbare Werte wie bei der Verwendung von Stahl und/oder Aluminium als Werkstoff für den Scheibenrahmen erzielt werden können.

[0019] Somit kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffprofils als Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug das Fahrzeuggewicht in vorteilhafter Weise bei gleich bleibendem hohen Insassenschutz weiter verringert werden. Das geringere Fahrzeuggewicht ergibt einen tieferen Fahrzeugschwerpunkt und ermöglicht eine Verbesserung des Fahrverhaltens. Zudem kann der Schreibenrahmen bzw. die A-Säule durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffprofils dünner ausgeführt werden, wodurch der Sichtwinkel in vorteilhafter Weise verbessert wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0020] 

1

Kraftfahrzeug

2

Scheibenrahmen

3

untere Karosseriestruktur

4

Faserverbundwerkstoffprofil

4.1

konkaver Bereich

4.2

benachbarter Bereich

4.3

benachbarter Bereich

F

Kraftwirkung

Ansprüche

1. Faserverbundwerkstoffprofil, insbesondere für einen Scheibenrahmen (2) eines Kraftfahrzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundwerkstoffprofil (4) an einer Seite konkav ausgebildet ist, wobei mindestens ein im Querschnitt zu dem konkaven Bereich (4.1) benachbarter Bereich (4.2, 4.3) des Faserverbundwerkstoffprofils (4) so ausgebildet ist, dass das Faserverbundwerkstoffprofil (4) bei einer Krafteinwirkung (F) in diesem mindestens einen benachbarten Bereich (4.2, 4.3) einen Riss ausbildet, der das Faserverbundwerkstoffprofil (4) zur Erhöhung der Bruchdehnung in zwei Halbschalen aufteilt.

2. Faserverbundwerkstoffprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zum konkaven Bereich (4.1) benachbarte Bereich (4.2, 4.3) schubweich ausgebildet ist.

3. Faserverbundwerkstoffprofil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in dem mindestens einen schubweichen Bereich (4.2, 4.3) einen Orientierungswinkel von ungefähr 0° aufweisen.

4. Faserverbundwerkstoffprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zum konkaven Bereich (4.1) benachbarte schubweiche Bereiche (4.2, 4.3) konvex ausgebildet sind.

5. Faserverbundwerkstoffprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundwerkstoffprofil (4) als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet ist.

6. Scheibenrahmen für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenrahmen (2) mindestens ein Faserverbundwerkstoffprofil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.

7. Scheibenrahmen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Faserverbundwerkstoffprofil (4) so ausgerichtet ist, dass es eine maximale Bruchdehnung gegen eine zu erwartende Krafteinwirkung (F) aufweist.

Zeichnung